CN105527402B - 一种深长隧道突水突泥三维模型试验装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种深长隧道突水突泥三维模型试验装置及方法，包括基座、承载架、地应力加载***、气液复合承压水加载***、数据采集***、模型运送装置和水收集***。通过伺服控制柜和油泵控制分离式的千斤顶进行地应力加载，既可实现水平和竖直方向地应力的单独加载，又能同时进行两种不同地应力状况下的突水突泥模拟试验；通过不溶于水的高压气体压缩驱动水，获得稳定及连续性好的高压渗透水源。深长隧道突水突泥三维模型试验***模拟了真实工程应力环境中的岩溶隧道围岩体受力状况以及稳定的高压渗透水源，试验条件更接近工程实际，试验结果更加精确。
Description
技术领域
本发明涉及一种突水突泥试验***，特别是一种针对深埋特长隧道的突水突泥机理研究的三维模型试验***。
背景技术
随着我国大型地下工程的建设，突水突泥灾害对工程建设带来了巨大的安全隐患和经济损失，因而地下工程突水突泥问题已经得到了越来越多的重视。我国已是世界上隧道建设规模与难度最大的国家，由于深长隧道(洞)在施工前期难以全部查清沿线不良地质情况，突发性灾害成因与灾变过程极为复杂，导致施工过程中往往遭遇突水突泥等重大地质灾害，严重影响了隧道工程建设和人员安全。因此展开深长隧道突水突泥物理模型试验对于隧道建设过程中突水突泥预防及治理都具有重要的意义。
申请号为CN200810031466的发明专利和《岩石力学与工程学报》第28卷第7期《深部开采承压突水机制相似物理模型试验***研制及应用》介绍了一种水下开采顶板渗流突水试验方法及装置，但该装置在考虑流固耦合的情况下只能单独考虑类岩石模型在水平向荷载和水压力的共同作用而不能对试验模型施加竖直荷载。
申请号为CN201510018120的发明专利和申请号为CN201520026035的实用新型专利介绍了一种深埋隧道突水灾害二维物理模拟试验***及其试验方法，试验***实现了深埋隧道渗流、突水过程中围岩破裂演化特征的可视性，但该试验***只能对近似平面应力状态的二维模型的竖向进行加载而不能对模型的水平方向加载。
申请号为CN201510179803的发明专利和申请号为CN201520229367的实用新型专利介绍了一种模拟隧道突水的可视化模型试验装置及方法，专利通过岩石相似材料和高压水泵研究了不同水压、不同岩性、不同防突岩体厚度下突水过程中防突岩体裂纹扩展和突水通道形成过程，但是这种专利和方法无法对类岩石材料施加真实的工程荷载，因而不能模拟自然岩体所处的应力环境。
上述已有专利对突水问题进行研究时一方面都在诸多假设的前提下将实际问题简化为二维平面模型，而真实工程环境中岩体都处于三维应力状态下，平面模型的实验结果与真实岩体三轴状态并不完全相符；另一方面，已有专利中的模型只能实现单向加载，无法模拟真实围岩的地应力场进行双向加载。
发明内容
发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种深长隧道突水突泥三维模型试验装置及方法，其能够实现模拟深长隧道在真实地应力状态下受到高压水作用产生突水突泥的灾变过程。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种深长隧道突水突泥三维模型试验装置，包括基座(1)、承载架(2)、地应力加载***(3)、气液复合承压水加载***(6)、数据采集***(9)、模型运送***(10)以及水收集***(14)，其中，所述地应力加载***(3)用于对模型(13)模拟三维的地应力状况，所述气液复合承压水加载***(6)用于对模型(13)高压渗透，数据采集***(9)用于对模型(13)中预埋的传感器进行数据采集；所述承载架(2)采用内方外圆格构式结构，且所述承载架(2)设置在基座(1)上，所述地应力加载***(3)包括伺服控制柜(4)、油泵(5)、第一组千斤顶、第二组千斤顶、第三组千斤顶、第四组千斤顶、第五组千斤顶及第六组千斤顶，所述伺服控制柜(4)通过油泵(5)分别控制第一组千斤顶、第二组千斤顶、第三组千斤顶、第四组千斤顶、第五组千斤顶及第六组千斤顶进行顶升作动；所述承载架(2)分为左部承载架(21)和右部承载架(22)，所述第一组千斤顶设置于左部承载架(21)的方形内壁的上表面，第二组千斤顶、第三组千斤顶分别设置于左部承载架(21)的方形内壁的左右表面；所述第四组千斤顶设置于右部承载架(22)的方形内壁的上表面，第五组千斤顶、第六组千斤顶分别设置于右部承载架(22)的方形内壁的左右表面；所述气液复合承压水加载***(6)包括高压气瓶组(7)和高压储水箱(8)，所述高压气瓶组(7)通过高压气伺服阀与高压储水箱(8)连接；所述模型运送***(10)包括第一轨道(11)、第二轨道(12)，所述第二轨道(12)设置于第一轨道(11)上，且所述第二轨道(12)与第一轨道(11)滑动连接，而所述模型(13)放置于第二轨道(12)上；且所述第二轨道(12)的上表面与承载架(2)方形内壁的下表面在同一水平面上；所述水收集***(14)包括收集箱、第一圆弧面(15)以及第二圆弧面(16)，所述第一圆弧面(15)的一端设置于收集箱的一个侧面上，而第二圆弧面(16)设置于与第一圆弧面(15)相对的收集箱的侧面上，所述第一圆弧面(15)的另一端与承载架(2)方形内壁的下表面相接。
优选的：所述第一组千斤顶中的千斤顶在左部承载架(21)的方形内壁的上表面上均匀分布，第二组千斤顶、第三组千斤顶中的千斤顶分别在左部承载架(21)的方形内壁的左右表面上均匀分布；所述第四组千斤顶中的千斤顶在右部承载架(22)的方形内壁的上表面上均匀分布，第五组千斤顶、第六组千斤顶中的千斤顶分别在右部承载架(22)的方形内壁的左右表面上均匀分布。并且六组千斤顶可分为相互独立控制的四部分，可同时对模型的左、右两半部分分别进行不同工程状况地应力的模拟。
优选的：所述高压气瓶组(7)内存放有不溶于水的高压气体。
优选的：所述第一组千斤顶、第二组千斤顶、第三组千斤顶、第四组千斤顶、第五组千斤顶及第六组千斤顶为分离式千斤顶。
优选的：所述水收集***的第一圆弧面(15)可以将模型中突出的水和部分模型材料全部收集到收集箱中，第二圆弧面(16)可以阻挡模型中喷出的高压水(相当于几个甚至几十个大气压力)，放置试验操作人员受伤；收集箱上设置有刻度标尺，所述刻度标尺用于定量读取突出水和模型制作材料的体积。
一种深长隧道突水突泥三维模型试验方法，包括以下步骤：
步骤1，将制作完成的模型(13)放置于模型运送***(10)上，首先利用第一轨道(11)将模型(13)推送到与承载架(2)侧面相接触，之后利用第二轨道(12)将模型(13)推送到承载架(2)内部指定位置；
步骤2，将高压储水箱(8)通过管道与模型(13)预设的高压水进口连接；将数据采集***(9)与模型中预埋的传感器连接，并调试数据采集***(9)运行正常；
步骤3，步骤2连接好之后，根据要模拟的地应力状况通过伺服控制柜(4)分别控制承载架(2)内相应的分离式千斤顶对模型(13)加载至预定荷载；
步骤4，通过控制高压气瓶组(7)向高压储水箱(8)中加压驱动，得到预定的水压力，保持水压力不变直至发生突水，整个过程通过采用数据采集***(9)模型(13)内部的传感器信息。
本发明提供的一种深长隧道突水突泥三维模型试验装置及方法，相比现有技术，具有以下有益效果：
1.由于设置有模型运送***(10)，模型运送***(10)包括第一轨道(11)、第二轨道(12)，所述第二轨道(12)设置于第一轨道(11)上，且所述第二轨道(12)与第一轨道(11)滑动连接，而所述模型(13)放置于第二轨道(12)上；且所述第二轨道(12)的上表面与承载架(2)方形内壁的下表面在同一水平面上，对于较重的模型(13)利用带有两组独立轨道的模型运送***(10)将模型(13)送至试验承载架(2)内指定位置，既节约人力又方便试验进行。模型运送***(10)的工作面(第二轨道(12)的上表面)与承载架(2)的下承载面(方形内壁的下表面)在同一水平，首先利用第一轨道(11)将模型(13)推送至与承载架(2)一侧相接触，之后利用第二轨道(12)将模型(13)送入承载架(2)内指定位置。
2.地应力加载***(3)包括伺服控制柜(4)、油泵(5)、第一～第六组千斤顶组成，第一组千斤顶设置于左部承载架(21)的方形内壁的上表面，第二组千斤顶、第三组千斤顶分别设置于左部承载架(21)的方形内壁的左右表面；所述第四组千斤顶设置于右部承载架(22)的方形内壁的上表面，第五组千斤顶、第六组千斤顶分别设置于右部承载架(22)的方形内壁的左右表面，承载架(2)方形内壁的下表面固定；这样得到每个加载面均由多个分离式的千斤顶组成，模型受到均布荷载，加载效果更好，六组千斤顶可分为相互独立的四个部分并均由伺服控制柜和油泵进行控制。在试验时，可以对模型的左右两侧同时施加不同工程状况的地应力，利于提高试验效率，节约模型材料。
3.承载架(2)用于承受内侧分离式千斤顶加载时产生的反力，分离式千斤顶的反力方向为水平和竖直两个相互垂直的方向，将承载架(2)设计为内方外圆的格构式结构有利于缓解分离式千斤顶反力造成的应力集中，使承载架(2)中的应力分布更为均匀。
4.所述气液复合承压水加载***(6)包括高压气瓶组(7)和高压储水箱(8)，所述高压气瓶组(7)通过高压气伺服阀与高压储水箱(8)连接；因此试验***中的高压水利用高压气体压缩驱动水产生，由于气体的流动性更加优于液体，容易控制并稳定流体的压力，易于在试验过程中尤其是突水的瞬间保持稳定的水压并维持连续的水流。
5.水收集***(14)包括收集室、第一圆弧面(15)以及第二圆弧面(16)，所述第一圆弧面(15)的一端设置于收集箱的一个侧面上，而第二圆弧面(16)设置于与第一圆弧面(15)相对的收集箱的侧面上，所述第一圆弧面(15)的另一端与承载架(2)方形内壁的下表面相接。将水收集***(14)放置于承载架(2)左右两侧，水收集***的第一圆弧面(15)可以将模型中突出的水和部分模型材料全部收集到收集箱中，第二圆弧面(16)可以阻挡模型中喷出的高压水(相当于几个甚至几十个大气压力)，放置试验操作人员受伤；，另外收集室外侧带有刻度标尺，可以定量读取模型中突出的水和模型制作材料的体积。
附图说明
图1深长隧道突水突泥三维模型试验***示意图。
图2基座及承载架三视图，其中，图2a为基座及承载架俯视图，图2b为基座及承载架正视图，图2c为基座及承载架侧视图。
图3分离式千斤顶剖面图。
图4气液复合承压水加载***示意图。
图5模型运送装置示意图。
图6水收集装置示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作更进一步的说明。
一种深长隧道突水突泥三维模型试验装置，如图1所示，包括基座1、承载架2、地应力加载***3、气液复合承压水加载***6、数据采集***9、模型运送***10以及水收集***14，其中，所述地应力加载***3用于对模型13模拟三维的地应力状况，所述气液复合承压水加载***6用于对模型13高压渗透，数据采集***9用于对模型13中预埋的传感器进行数据采集。
如图2所示为基座1和承载架2的三视图，所述承载架2设置在基座1上，承载架2的作用在于承受内部分离式千斤顶的反力，分离式千斤顶在水平和竖直两个相互垂直的方向上分布，承载架2采用外圆内方格构式结构有利于缓解分离式千斤顶反力产生的应力集中，使承载架2内部应力分布更加均匀。
如图3所示，所述地应力加载***3包括伺服控制柜4、油泵5、第一组千斤顶、第二组千斤顶、第三组千斤顶、第四组千斤顶、第五组千斤顶及第六组千斤顶，所述伺服控制柜4通过油泵5控制第一组千斤顶、第二组千斤顶、第三组千斤顶、第四组千斤顶、第五组千斤顶及第六组千斤顶进行顶升作动；所述承载架2分为左部承载架21和右部承载架22，所述第一组千斤顶设置于左部承载架21的方形内壁的上表面，第二组千斤顶、第三组千斤顶分别设置于左部承载架21的方形内壁的左右表面；所述第四组千斤顶设置于右部承载架22的方形内壁的上表面，第五组千斤顶、第六组千斤顶分别设置于右部承载架22的方形内壁的左右表面。所述第一组千斤顶中的千斤顶在左部承载架21的方形内壁的上表面上均匀分布，第二组千斤顶、第三组千斤顶中的千斤顶分别在左部承载架21的方形内壁的左右表面上均匀分布；所述第四组千斤顶中的千斤顶在右部承载架22的方形内壁的上表面上均匀分布，第五组千斤顶、第六组千斤顶中的千斤顶分别在右部承载架22的方形内壁的左右表面上均匀分布。所述第一组千斤顶、第二组千斤顶、第三组千斤顶、第四组千斤顶、第五组千斤顶及第六组千斤顶为分离式千斤顶。第一组千斤顶17-1作为一个部分、第二组千斤顶和第三组千斤顶作为一个部分17-2，第四组千斤顶为一个部分17-3，第五组千斤顶和第六组千斤顶作为一个部分17-4共分为四个相互独立的部分，四部分分离式千斤顶均由伺服控制柜4和油泵5进行控制，在试验时，可以对模型的左右两侧同时施加不同工程状况的地应力，而且在每个加载面上分离式千斤顶产生的都是分布荷载，使模型的受力更加均匀。
如图4所示，所述气液复合承压水加载***6包括高压气瓶组7和高压储水箱8，所述高压气瓶组7通过高压气伺服阀与高压储水箱8连接；所述高压气瓶组7内存放有不溶于水的高压气体。气液复合承压水加载***6利用不溶于水的高压气体对高压储水箱中的水加压驱动，从而产生高压渗透水源，高压气体不溶于水即可，如空气和氮气。由于气体的流动性更优于液体，这种气驱动水方式产生的高压水源在试验过程中具有良好的水压稳定性以及水流连续性，避免了试验过程中尤其是突水瞬间水流间歇性卸压。
如图5所示，所述模型运送***10包括第一轨道11、第二轨道12，所述第二轨道12设置于第一轨道11上，且所述第二轨道12与第一轨道11滑动连接，而所述模型13放置于第二轨道12上；且所述第二轨道12的上表面与承载架2方形内壁的下表面在同一水平面上；模型运送***10的工作面与承载架的下承载面在同一水平，先利用第一轨道11将模型13送至承载架一侧，之后利用第二轨道12将模型送入承载架内。
如图6所示，所述水收集***14包括收集箱、第一圆弧面15以及第二圆弧面16，所述第一圆弧面15的一端设置于收集箱的一个侧面上，而第二圆弧面16设置于与第一圆弧面15相对的收集箱的侧面上，所述第一圆弧面15的另一端与承载架2方形内壁的下表面相接。水收集***14设计有第一圆弧面15以及第二圆弧面16，水收集***的第一圆弧面15可以将模型中突出的水和部分模型材料全部收集到收集箱中，第二圆弧面16可以阻挡模型中喷出的高压水相当于几个甚至几十个大气压力，放置试验操作人员受伤；收集室外侧带有刻度标尺，可以定量读取模型中突出的水和模型制作材料的体积。
一种深长隧道突水突泥三维模型试验方法，包括以下步骤：
步骤1，将制作完成的模型13放置于模型13运送***10上，首先利用第一轨道11将模型13推送到与承载架2侧面相接触，之后利用第二轨道12将模型13推送到承载架2内部指定位置；
步骤2，将高压储水箱8通过管道与模型13预设的高压水进口连接；将数据采集***9与模型中预埋的传感器连接，并调试数据采集***9运行正常；
步骤3，步骤2连接好之后，根据要模拟的地应力状况通过伺服控制柜4分别控制承载架2内相应的分离式千斤顶对模型13加载至预定荷载；
步骤4，通过控制高压气瓶组7向高压储水箱8中加压驱动，得到预定的水压力，保持水压力不变直至发生突水，整个过程通过采用数据采集***9模型13内部的传感器信息，进而得到模型内部的孔隙水压力等信息。
由上述可知，通过伺服控制柜和油泵控制分离式的千斤顶进行地应力加载，既可实现水平和竖直方向地应力的单独加载，又能通过控制四部分千斤顶同时在模型的左、右两侧进行两种不同地应力状况下的突水突泥模拟试验；通过不溶于水的高压气体压缩驱动水，获得稳定及连续性好的高压渗透水源。深长隧道突水突泥三维模型试验***模拟了真实工程应力环境中的岩溶隧道围岩体受力状况以及稳定的高压渗透水源，试验条件更接近工程实际，试验结果更加精确。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种深长隧道突水突泥三维模型试验装置，其特征在于：包括基座(1)、承载架(2)、地应力加载***(3)、气液复合承压水加载***(6)、数据采集***(9)、模型运送***(10)以及水收集***(14)，其中，所述地应力加载***(3)用于对模型(13)模拟三维的地应力状况，所述气液复合承压水加载***(6)用于对模型(13)高压渗透，数据采集***(9)用于对模型(13)中预埋的传感器进行数据采集；所述承载架(2)采用内方外圆格构式结构，且所述承载架(2)设置在基座(1)上，所述地应力加载***(3)包括伺服控制柜(4)、油泵(5)、第一组千斤顶、第二组千斤顶、第三组千斤顶、第四组千斤顶、第五组千斤顶及第六组千斤顶，所述伺服控制柜(4)通过油泵(5)控制第一组千斤顶、第二组千斤顶、第三组千斤顶、第四组千斤顶、第五组千斤顶及第六组千斤顶进行顶升作动；所述承载架(2)分为左部承载架(21)和右部承载架(22)，所述第一组千斤顶设置于左部承载架(21)的方形内壁的上表面，第二组千斤顶、第三组千斤顶分别设置于左部承载架(21)的方形内壁的左右表面；所述第四组千斤顶设置于右部承载架(22)的方形内壁的上表面，第五组千斤顶、第六组千斤顶分别设置于右部承载架(22)的方形内壁的左右表面；所述气液复合承压水加载***(6)包括高压气瓶组(7)和高压储水箱(8)，所述高压气瓶组(7)通过高压气伺服阀与高压储水箱(8)连接；所述模型运送***(10)包括第一轨道(11)、第二轨道(12)，所述第二轨道(12)设置于第一轨道(11)上，且所述第二轨道(12)与第一轨道(11)滑动连接，而所述模型(13)放置于第二轨道(12)上；且所述第二轨道(12)的上表面与承载架(2)方形内壁的下表面在同一水平面上；所述水收集***(14)包括收集箱、第一圆弧面(15)以及第二圆弧面(16)，所述第一圆弧面(15)的一端设置于收集箱的一个侧面上，而第二圆弧面(16)设置于与第一圆弧面(15)相对的收集箱的侧面上，所述第一圆弧面(15)的另一端与承载架(2)方形内壁的下表面相接。
2.根据权利要求1所述的深长隧道突水突泥三维模型试验装置，其特征在于：所述第一组千斤顶中的千斤顶在左部承载架(21)的方形内壁的上表面上均匀分布，第二组千斤顶、第三组千斤顶中的千斤顶分别在左部承载架(21)的方形内壁的左右表面上均匀分布；所述第四组千斤顶中的千斤顶在右部承载架(22)的方形内壁的上表面上均匀分布，第五组千斤顶、第六组千斤顶中的千斤顶分别在右部承载架(22)的方形内壁的左右表面上均匀分布。
3.根据权利要求1所述的深长隧道突水突泥三维模型试验装置，其特征在于：所述高压气瓶组(7)内存放有不溶于水的高压气体。
4.根据权利要求1所述的深长隧道突水突泥三维模型试验装置，其特征在于：所述第一组千斤顶、第二组千斤顶、第三组千斤顶、第四组千斤顶、第五组千斤顶及第六组千斤顶为分离式千斤顶。
5.根据权利要求1所述的深长隧道突水突泥三维模型试验装置，其特征在于：所述收集箱上设置有刻度标尺，所述刻度标尺用于定量读取突出水和模型制作材料的体积。
6.一种基于权利要求1-5任一所述的深长隧道突水突泥三维模型试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，将制作完成的模型(13)放置于模型运送***(10)上，首先利用第一轨道(11)将模型(13)推送到与承载架(2)侧面相接触，之后利用第二轨道(12)将模型(13)推送到承载架(2)内部指定位置；
步骤2，将高压储水箱(8)通过管道与模型(13)预设的高压水进口连接；将数据采集***(9)与模型中预埋的传感器连接，并调试数据采集***(9)运行正常；
步骤3，步骤2连接好之后，根据要模拟的地应力状况通过伺服控制柜(4)分别控制承载架(2)内相应的分离式千斤顶对模型(13)加载至预定荷载；
步骤4，通过控制高压气瓶组(7)向高压储水箱(8)中加压驱动，得到预定的水压力，保持水压力不变直至发生突水，整个过程通过采用数据采集***(9)模型(13)内部的传感器信息。
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